TiO2/CdS/α-Fe2O3异质结构光阳极的制备及性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0010

摘要/Abstract

摘要： 为改善TiO₂光阳极的光吸收范围窄、光生载流子复合率高等问题，本研究采用水热法与连续离子层吸附反应法相结合的工艺，成功制备了TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃三元异质结薄膜。利用X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外-可见光吸收光谱和三电极光电测试系统对所制备光阳极的晶相、微观形貌、光学特性和光电化学性质进行了系统的表征和分析。测试结果显示，TiO₂纳米片表面均匀负载CdS纳米颗粒，α-Fe₂O₃以规整纳米刺形态致密生长于复合体系表面；TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃三元异质结薄膜的光吸收边红移至595 nm，较纯TiO₂和TiO₂/CdS二元复合薄膜有显著拓宽，其最大光电流密度达2.37 mA/cm²，分别为纯TiO₂和TiO₂/CdS的24倍和1.9倍。研究表明，TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃光阳极的性能提升归因于CdS和α-Fe₂O₃拓宽了TiO₂的光响应范围，以及三者形成了阶梯式能级结构，有效促进光生电子-空穴对的分离与输运，降低载流子复合率。本研究为TiO₂基光阳极的结构优化与性能提升提供了可行方案和实验依据。

关键词: TiO₂; CdS; α-Fe₂O₃; 异质结薄膜; 光电化学性能

Abstract: To address the issues of a narrow light absorption range and a high recombination rate of photogenerated carriers in TiO₂-based photoanodes，this study successfully prepared TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃ ternary heterojunction thin films using a combined process that integrated the hydrothermal method with the successive ionic layer adsorption and reaction method. The crystal phase，microstructure，optical properties，and photoelectrochemical characteristics of the prepared photoanodes were systematically characterized and analyzed through X-ray diffraction，scanning electron microscopy，ultraviolet-visible absorption spectroscopy，and a three-electrode photoelectrochemical testing system. The results demonstrate that CdS nanoparticles are uniformly anchored on the surface of TiO₂ nanosheets，while α-Fe₂O₃ grows densely on the surface of the composite system in the form of regular nanospikes. The optical absorption edge of the TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃ ternary heterojunction film exhibits a red shift to 595 nm，which is significantly broader than those of pure TiO₂and TiO₂/CdS binary composite films. Correspondingly，the maximum photocurrent density reaches 2.37 mA/cm²，approximately 24 times and 1.9 times that of pure TiO₂and TiO₂/CdS，respectively. The enhanced performance of the TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃ photoanode is attributed to the broadening of the light-response range of TiO₂ by CdS and α-Fe₂O₃，as well as the formation of a stepwise energy-level structure among the three components，which effectively promotes the separation and transport of photogenerated electron-hole pairs and reduces carrier recombination. This study provides a feasible strategy and experimental basis for the structural optimization and performance improvement of TiO₂-based photoanodes.

Key words: TiO₂; CdS; α-Fe₂O₃; heterojunction thin film; photoelectrochemical property

中图分类号:

TB383.2

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图/表 6

图1 TiO2NS、TiO2/CdS和TiO2/CdS/α-Fe2O3薄膜的XRD图谱

Fig.1 XRD patterns of TiO2NS，TiO2/CdS and TiO2/CdS/α-Fe2O3 thin films

图2 TiO2NS、TiO2/CdS、TiO2/CdS/α-Fe2O3薄膜的SEM照片

Fig.2 SEM images of TiO2NS，TiO2/CdS and TiO2/CdS/α-Fe2O3 thin films

图3 TiO2NS、TiO2/CdS、TiO2/CdS/α-Fe2O3薄膜的紫外-可见吸收光谱

Fig.3 UV-Visible absorption spectra of TiO2NS，TiO2/CdS and TiO2/CdS/α-Fe2O3 thin films

图4 TiO2NS、TiO2/CdS、TiO2/CdS/α-Fe2O3光阳极的光电曲线

Fig.4 Photocurrent curves of TiO2NS，TiO2/CdS and TiO2/CdS/α-Fe2O3 photoanodes

图5 TiO2、CdS、α-Fe2O3的莫特-肖特基曲线

Fig.5 Mott-Schottky curves of TiO2，CdS and α-Fe2O3

图6 TiO2、CdS和α-Fe2O3接触前（a）、后（b）能带示意图，以及TiO2/CdS/α-Fe2O3光阳极的光生电荷转移示意图（c）

Fig.6 Energy band diagrams of TiO2，CdS and α-Fe2O3 before （a） and after （b） contact，and photogenerated charge transfer diagram （c） of TiO2/CdS/α-Fe2O3 photoanodes

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TiO₂/CdS/α-Fe₂O₃异质结构光阳极的制备及性能研究

Preparation and Properties of TiO₂/CdS/ α -Fe₂O₃ Heterostructured Photoanodes

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